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Un laser ad eccimeri è un potente tipo di laser che quasi sempre opera nella regione spettrale dell’ultravioletto (UV) (→ laser ultravioletto) e genera impulsi di nanosecondi.
Il mezzo di guadagno ad eccimeri è una miscela di gas, tipicamente contenente un gas nobile (gas raro) (ad esempio argon, krypton o xeno) e un alogeno (ad esempio fluoro o cloro, ad esempio come HCl), oltre a elio e/o neon come gas tampone.Un mezzo di guadagno ad eccimeri viene pompato con brevi (nanosecondi) impulsi di corrente in una scarica elettrica ad alto voltaggio (o a volte con un fascio di elettroni), che creano i cosiddetti eccimeri (dimeri eccitati) – molecole che rappresentano uno stato legato dei loro costituenti solo nello stato elettronico eccitato, ma non nello stato elettronico di massa (in senso stretto, un dimero è una molecola composta da due atomi uguali, ma il termine eccimero è normalmente inteso per includere anche molecole asimmetriche come XeCl. Il termine laser ad alogenuri di gas rari sarebbe in realtà più appropriato, e il termine exciplex laser è talvolta usato.)Dopo l’emissione stimolata o spontanea, l’eccimero si dissocia rapidamente, in modo da evitare il riassorbimento della radiazione generata.Questo rende possibile ottenere un guadagno abbastanza alto anche per una concentrazione moderata di eccimeri.
Come i laser a eccimeri usano molecole come mezzo di guadagno, e possono quindi in linea di principio essere chiamati laser molecolari, anche se il termine è solitamente usato per laser che usano molecole stabili.
Diversi tipi di laser a eccimeri emettono tipicamente a lunghezze d’onda tra 157 e 351 nm:
| Excimer | Lunghezza d’onda |
|---|---|
| F2 (fluoro) | 157 nm |
| ArF (fluoruro di argon) | 193 nm |
| KrF (fluoruro di krypton) | 248 nm |
| XeBr (bromuro di xeno) | 282 nm |
| XeCl (cloruro di xeno) | 308 nm |
| XeF (fluoruro di xeno) | 351 nm |
Per varie di queste lunghezze d’onda, sono state sviluppate ottiche ad eccimeri specializzate (ottiche ultraviolette), che devono avere un’alta qualità ottica e in particolare una resistenza molto alta alla luce ultravioletta intensa.
I laser a eccimeri tipici emettono impulsi con un tasso di ripetizione fino a qualche kilohertz e potenze di uscita medie comprese tra pochi watt e centinaia di watt, il che li rende le sorgenti laser più potenti nella regione ultravioletta, in particolare per le lunghezze d’onda inferiori a 300 nm.L’efficienza del wall-plug normalmente varia tra lo 0.2% e il 5%; molto di più è possibile con il pompaggio a fascio di elettroni.
Vita del dispositivo
I primi laser a eccimeri avevano una vita limitata a causa di una serie di problemi, derivanti ad esempio dalla natura corrosiva dei gas usati e dalla contaminazione del gas con sottoprodotti chimici e polveri create dalla scarica elettrica.Altre sfide sono l’ablazione di materiale dagli elettrodi e l’alta potenza di picco degli impulsi di corrente richiesti, che spesso permettevano agli interruttori thyratron di durare solo per un paio di settimane o mesi.Tuttavia, un sacco di ingegneria, che coinvolge ad es. L’uso di materiali resistenti alla corrosione, sistemi avanzati di ricircolo e purificazione del gas, e interruttori ad alta tensione a stato solido, ha mitigato le sfide del concetto di laser a eccimeri in misura significativa.La vita dei moderni laser a eccimeri è ora limitata da quella delle ottiche ultraviolette, che devono sopportare alti flussi di radiazioni a breve lunghezza d’onda, a qualcosa dell’ordine di pochi miliardi di impulsi.
Applicazioni dei laser a eccimeri
Le brevi lunghezze d’onda nella regione spettrale dell’ultravioletto rendono possibile una serie di applicazioni:
- la generazione di modelli molto fini con metodi fotolitografici (microlitografia), per esempio nella produzione di chip semiconduttori
- la lavorazione di materiali con ablazione laser o taglio laser (per esempio sui polimeri), sfruttando le lunghezze di assorbimento molto corte dell’ordine di pochi micrometri in molti materiali, in modo che una fluenza d’impulso moderata di pochi joule per centimetro quadrato è sufficiente per l’ablazione
- deposizione laser pulsata
- marcatura laser e microstrutturazione di vetri e plastiche
- fabbricazione di reticoli in fibra di Bragg
- oftalmologia (chirurgia oculare), in particolare per la correzione della vista mediante rimodellamento della cornea con laser ArF a 193 nm; Metodi comuni sono la cheratomileusi laser in situ (LASIK) e la cheratectomia fotorefrattiva (PRK)
- trattamento della psoriasi con laser XeCl a 308 nm
- pompaggio di altri laser, ad es.Ad esempio, alcuni laser a coloranti
- guida per la fusione nucleare
La fotolitografia nella produzione di dispositivi a semiconduttori è un’applicazione di grande importanza, dove i fotoresist su wafer di semiconduttori lavorati vengono irradiati con luce ultravioletta ad alta potenza attraverso fotomaschere strutturate.La luce UV ad alta potenza, come può essere generata con i laser ad eccimeri, è essenziale per ottenere tempi di lavorazione brevi e un rendimento elevato corrispondente, mentre le lunghezze d’onda corte permettono di fabbricare strutture molto fini (con tecniche ottimizzate anche molto al di sotto della lunghezza d’onda ottica).Tuttavia, gli ultimi sviluppi nella litografia richiedono lunghezze d’onda ancora più corte nell’ultravioletto estremo (EUV), per esempio a 13,5 nm, che non possono più essere prodotte con i laser a eccimeri.Ancora, ci si aspetta che i laser a eccimeri saranno usati per fabbricare molti chip di semiconduttori per molto tempo a venire, dato che solo i chip di computer più avanzati richiedono strutture ancora più fini di quelle possibili con tali tecniche.
Sicurezza del laser
Nota che i laser a eccimeri sollevano una varietà di problemi di sicurezza, relativi all’uso di alte tensioni, la manipolazione di gas velenosi (alogeni), e il rischio di causare cancro alla pelle e danni agli occhi per irradiazione con luce ultravioletta.
Lampade ad eccimeri
Ci sono anche lampade ad eccimeri che fondamentalmente usano lo stesso tipo di scarica di gas con generazione ad eccimeri dei laser ad eccimeri, ma non contengono un risonatore laser e quindi sfruttano solo l’emissione spontanea.Alcune di esse funzionano in modalità a onda continua piuttosto che con una scarica pulsata.Possono essere usate come sorgenti di luce ultravioletta, ma con emissione spazialmente diffusa invece di un fascio di uscita ben diretto.
Fornitori
La RP Photonics Buyer’s Guide contiene 13 fornitori di laser a eccimeri. Tra questi:
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Bibliografia
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| J. J. Ewing, “Excimer laser technology development”, JSTQE 6 (6), 1061 (2000), doi:10.1109/2944.902155 | |
| Ch. K. Rhodes (Editor), Excimer Lasers, 2nd edition, Springer, Berlin (1998) | |
| D. Basting and G. Marowski (Editors), Excimer Laser Technology, Springer, Berlin (2004) |
(Suggerisci ulteriore letteratura!)
Vedi anche: laser, luce ultravioletta, laser ultravioletti, laser a gas, laser molecolari, lampade ad eccimeri
e altri articoli nella categoria laser
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